超低碳IF钢概述.doc

超低碳IF钢概述IF钢，全称Interstitial-Free Steel，即无间隙原子钢，有时也称超低碳钢，具有极优异的深冲性能，现在伸长率和r值可达50%和2.0以上，在汽车工业上得到了广泛应用。在IF钢中，由于C、N含量低，在加入一定量的钛（Ti）、铌（Nb）等强碳氮化合物形成元素，将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子完全固定为碳氮化合物，从而得到的无间隙原子的洁净铁素体钢，即为超低碳无间隙原子钢（Interstitial Free Steel）。1 IF钢发展历史IF钢在1949年首次被研制成功，其基本原理是在钢中加入一定比例的Ti，使钢中固溶C和N的含量降到0.01%以下，使铁素体得到深层次的净化，从而得到良好的深冲性能。但由于受到当时冶炼技术的限制，钢中原始的固溶C、N含量较高，所以需要加入的Ti含量也很高，达到了0.25-0.35%，Ti是一种价格非常昂贵的稀有合金元素，在当时更是如此，因而阻止了其当时的商业化进程。直到1967-1970，由于真空脱气技术在冶金生产中的应用，大大减少了需要添加的Ti合金元素含量(大约为0.15%左右)才正式出现了商用的IF钢，几乎在同时，人们也发现了Nb具有和Ti几乎相同的作用，但还是受到价格因素的制约，其应用也只限于少量特殊的零件。20世纪70年代在日本开始用连退线生产少量的IF钢，70年代末，IF钢成分大致为：0.005-0.01%C、0.003%N、0.15%Ti或Nb。到20世纪80年代，冶炼技术进一步发展，采用改进的RH处理可经济的生产C0.002%的超低碳钢，RH处理时间也缩短到10-20min。现代IF钢的成分大致为：C0.005%、N0.003%，Ti或Nb一般约0.05%。到1994年全世界IF钢的产量超过了1000万吨。归根到底，IF钢的迅速发展来自于市场需求的急剧增加和生产成本的降低。 IF钢国外研究进展汽车工业的飞速发展带动了IF钢（Interstitial Free Steel，无间隙原子钢）的生产。世界许多先进钢铁厂都非常重视IF钢的生产，安赛乐米塔尔、新日铁、JFE、蒂森克虏伯、美钢联、浦项等先进钢厂的IF钢年产量均在200万吨以上。20世纪末，日本IF钢年产量已超过1000万吨，并呈逐年上升趋势。许多大型钢铁公司均积极发展IF钢生产，如日本的川崎制钢公司、新日铁公司，德国的Thyssen钢铁公司、Hoesch钢铁公司,美国的Armco钢铁公司、Inland钢铁公司，韩国的浦项钢铁公司等，其IF钢年产量均在100万吨以上。近年来，为适应汽车减重、降低材料消耗和节约燃油的需要，对汽车用钢板强度的要求越来越高。“超低碳”钢是高端产品，新日铁、JFE、蒂森克虏伯等钢厂在钢的化学成分、夹杂物含量以及每道工序的控制等方面均有成熟的经验。 IF钢国内研究进展从2000年以来，由于IF钢具有优良的深冲性和无时效性，已逐渐成为继沸腾钢和铝镇静钢之后的新一代冲压用钢，是一个国家汽车用钢板生产水平的标志。 我国研制IF钢始于1989年，宝钢集团公司、鞍钢集团公司、武钢集团公司、攀钢集团公司、本钢集团公司等先后开展IF钢的研究开发工作，并大力发展IF钢生产。到2009年，我国的IF钢生产已具有一定规模，但仍处于初级发展阶段。以汽车板用IF钢为例，国产的IF钢仅可以满足中低档轿车和卡车用钢板的质量要求，中高档轿车用高品质钢板仍然需要大量进口，尤其是对于表面质量要求非常严格的汽车面板，与国外同类型IF钢产品的质量差距更大。23 到2010年，我国的汽车产量达800万辆，其中轿车600万辆。可见我国对汽车板的需求量之大。2009年我国宝钢生产的IF钢的成分已能控制在C 0.002%、N 0.002%、S 0.001%、TO 0.002%的水平。本钢生产的IF钢的成分控制在C 0.003%、N 0.004%、S 0.005%的水平。我国武钢、鞍钢也已批量生产IF钢。中钢公司（中国钢铁集团公司）采用BOF+RH 真空脱气工艺，并改造了关键设备，开发出优质IF钢。4 IF钢工艺流程IF钢对钢水纯净度有着较为苛刻的要求，生产工艺流程的选取直接影响到IF钢的品质和生产的顺行。当前IF钢的生产有三种典型的工艺流程，必须根据企业现有的装备条件来选择合适的流程。 工艺路线A： 高炉铁水脱硫顶底复吹转炉氩气搅拌RH真空处理连铸 工艺路线B： 高炉铁水脱硫转炉冶炼氩气搅拌RH真空处理LF精炼连铸 工艺路线C： 高炉铁水脱硫转炉冶炼氩气搅拌LF精炼RH真空处理连铸 工艺A是目前国内外生产IF钢最常用的方法，适用于传统厚板坯连铸机，由于其不需要经过LF精炼处理，生产成本最低，工艺设备基本上能满足IF钢的生产需要。工艺B和工艺C由于采用了LF精炼，能使大包渣得到很好改性，有利于渣吸收夹杂物，净化钢液。目前马钢、本钢采用LF-RH双联法在薄板坯连铸机上成功实现IF钢的批量生产，但是这两种工艺路线相对复杂，成本相对较高。56 每一个工序均在不同程度上影响IF钢的最终产品性能。为保证IF钢的最终产品性能，国内外IF钢生产工艺的技术要点总结如表17所示。 表1 国内外IF钢生产工艺的技术要点 工序技术要点炼钢 （铁水预处理转炉冶炼RH真空精炼连铸）1.超低碳； 2.微合金化； 3.钢质纯净。热轧1.均匀细小的铁索体晶粒； 2.粗大稀疏的第二相粒子。冷轧尽可能大的冷轧压下率。退火1.再结晶晶粒均匀粗大； 2.发展再结晶织构。要实现IF钢成分及夹杂物的严格控制，必须对炼钢(铁水预处理转炉冶炼RH真空精炼连铸)生产工艺进行系统优化。 IF钢成分控制现状IF钢成分要求间隙原子C、N对IF钢的织构、r值与时效特性有着十分重要的影响。固溶的C、N原子不利于111织构的形成，r值急剧降低。此外，C、N含量高还将会明显增大IF钢的时效硬化倾向。Nb、Ti等元素可以将C、N间隙原子从基体中清除出来，从而获得较纯净的铁素体钢，有利于111织构的发展和r值增大，并且保证了IF钢的非时效性。因此IF钢必须具有超低碳氮、铌钛微合金化等特点。89 IF钢的成分特点是：为了获得良好的深冲性能，钢中的C、N、Si很低；为Al脱氧钢。除了脱氧作用以外，Al对冷轧钢板的织构控制有重要作用；对S和P控制要求相对宽松；为了保证良好的表面质量，对钢中的非金属夹杂物要求严格。日本企业提出IF钢冷轧板中非金属夹杂物的尺寸必须小于100m。1011 从IF钢的性质可知，钢中最有害的元素是间隙原子C、N，为保证钢的深冲性能、表面质量、镀锌性能以及生产顺行，对钢中其他元素和夹杂物也有一定要求。根据对钢的有害程度，对钢中有害杂质排序如图111： 图1：有害夹杂物在钢中的有害程度C：严重影响钢的深冲性能，必须尽可能去除，对于钢中残余的C，采用加Ti的方式加以固定。 N：对钢的有害作用与C类似，但因炼钢一般能将N控制在40ppm以下，而脱氧残留的Al能与N生产稳定的AlN, 能将N完全固定，因此，N对IF钢的有害作用基本上得到控制。 夹杂物：对钢的表面质量和深冲性能有一定影响，应使钢中夹杂物尽可能少，尺寸尽可能小。 Si：一方面增加钢的强度，减少钢的延性，对钢的深冲性能有害；另一方面影响钢的镀锌性能。应尽可能减少钢中的Si含量。 S：在一定程度上（约0.0050.006%）有利于C的析出，对提高钢的深冲性能有利。但是S过高则对钢有害。 P：对IF钢的延性、低温塑性有很大影响，要求IF钢中磷含量越低越好。在某些高强IF钢中作为强化元素提高钢的强度。 碳含量的控制IF钢生产中，碳的控制是十分关键的内容。钢中的碳对IF钢的性能有极大的影响，IF钢中不允许有固溶的碳，钢中的碳必须采用加入钛合金的方式加以固定。钢中的碳含量一要尽可能的低从而减少合金的加入量；二要稳定从而确定钛铁的加入量。这两点都要得到保证，IF钢才能大规模生产。12 目前IF钢转炉冶炼终点的碳含量一般控制在（200400）10-4%，要使钢中的碳含量小于5010-4%，甚至低于2010-4%，必须通过RH真空精炼来完成。 RH真空精炼是生产超低碳IF钢的关键技术，通过吹氧强制脱碳和后序工艺防止增碳来实现对碳的控制。 提高钢水脱碳速度的工艺措施有13： （1）进一步提高真空系统的抽气能力。 真空泵的抽气能力是通过真空室的真空度来影响脱碳速度的。真空度的高低，决定了RH真空脱碳的速度。较大的抽气能力可以使真空度在短时间内获得较高的真空度，即快速降低真空室的压力，可以增加CO气泡的发生率，使钢中碳含量迅速下降，能够达到的最终碳含量页越低。武钢二炼钢厂1、2 号RH 真空度的变化曲线和碳含量变化的对应关系说明了这一点，如图2 图2 RH真空脱碳情况比较所示。14 （2）增加驱动气体流量。 驱动气体是RH的钢液循环的动力源，驱动气体量的大小直接影响钢液循环状态和脱碳等冶金反应。驱动气体流量控制不当会产生强烈喷溅。脱碳过程中生成CO气体，加剧喷溅程度，在脱碳前期，驱动气体量应调小，随着C-O反应的减弱而适当增大，直到脱碳结束达到RH循环所需驱动气体量，可以加强后期钢液的搅拌，抑制传质系数的降低，从而抑制了后期脱碳速率的降低。 （3）脱碳前期吹氧强制脱碳 在真空脱碳反应中，当钢水中碳含量高（C/O0.66）时，即脱碳反应前期，氧的传质决定脱碳速度。这时顶吹氧枪吹氧可以有效提高表观脱碳常数，缩短处理时间。另外，高速氧气流冲击钢水表面，钢水飞散成为大量小液滴，更增加了脱气表面积，加快了脱碳速度。但是，吹氧一般会使得脱碳结束钢水中的溶解氧含量增加，从而恶化钢水的洁净度。应该掌握好吹氧时机和吹入的氧气量。 （4）增加插入管截面积。 在增大钢水循环流量的措施中，如果单纯增大驱动气体流量会使得环流管内钢水线速度上升，容易造成真空室内喷溅粘钢。解决办法就是扩大环流管内径。增大插入管内径，即增大了插入管的截面积，增大了循环流量。即使在同样的驱动气体流量的情况下，由于CO气体向气泡中的扩散作用，可以容纳和产生更多的气泡，增大了循环管上升区的相界面，同时也使喷溅到真空室的钢液量增加，增大了钢液乳化区的相界面，使脱碳速度加快。另一方面由于循环流量增加，钢液在真空室底部的线速度增加，使钢流的边界层减薄，碳氧向钢液面扩散速度增加。插入管的内径越大，脱碳速度越快。在条件允许的情况下应尽可能地增大插入管内径，增加循环流量，促进脱碳反应。图3 图3：增大插入管内径后钢水环流量的变化14展示了新日铁八幡厂增大插入管内径后钢水环流量的变化，可以看出增大插入管内径对于增大钢水环流量效果明显。 新日铁八幡厂由于采用极低碳覆盖剂、中空保护渣（含量为0.5%）和将保护渣熔渣层厚度增加到30mm，将RH精炼结束到铸坯中的增碳量从原来的8.1ppm减少至2.6ppm。 氮含量的控制鞍钢开发了低氮IF钢的生产工艺，包括转炉冶炼工序提高铁水比、冶炼过程控制返干、冶炼终点减少补吹次数和时间，采用铁矿石(烧结矿)造渣，能够控制冶炼终点氮的质量分数小于1210；RH-TB精炼工序处理前期提高脱碳速度，处理中期快速提高真空度、提升氩气流量和钢水循环量，处理后期控制钢水中的氧含量，同时必须保证钢水极低的硫含量。目前鞍钢可以批量稳定生产氮含量小于2010的IF钢。15 马钢CSP在生产SPHC钢种时转炉采用全程底吹氩模式，在转炉自动化系统中增加氮气阀门的控制手段，彻底杜绝吹炼过程中的氮气泄露，加强出钢口的维护，出钢氮含量从47.410降至3010。16刘光穆等人考察了涟钢100t转炉不同氮氩切换模式对终点氮含量的影响，尽管全程底吹氩气有利于钢中N的降低，但是在考虑综合成本的情况下，将转炉冶炼供薄板钢水底吹定为前10min吹氮后吹氩工艺。此外吹氩强度合理时，可以避免钢水在吹氩站增氮。17 武钢三炼钢厂通过转炉终点、脱氧制度和连铸三个环节来系统控制钢中的氮含量，并把保护浇注视作控氮关键环节，为此提高钢包开浇自开率，在长水口和钢包下水口之间采用特殊密封材料和氩封方式，中间包采用高碱度覆盖剂并控制吹氩流量确保液面不暴露。目前该厂钢包到中间包钢水增氮已经控制在210以内，中间包钢水平均氮含量为22.810。18 内陆钢公司通过转炉副枪终点控制降低补吹率、终点添加石灰石造泡沫渣、以CO2作为底吹气体，终点氮含量小于1310，沸腾出钢避免吸氮，出钢过程平均增氮710。RH精炼改进浸渍管的法兰密封同时采用低氮合金和废钢，RH平均氮含量为18.310。保护浇注增氮量为110。19 综上所述，IF钢氮含量控制的要点是20： 转炉工序提高铁水比，提高氧气纯度；吹炼过程中增加矿石的投入量，添加石灰石造泡沫渣，控制转炉炉内为正压；吹炼后期，采用低枪位操作，增加搅拌强度，强化终点命中率；采用沸腾出钢。RH工序加强真空室密封，减少合金和废钢带入的氮，避免RH吸氮。连铸工序提高钢包开浇自开率，改进长水口机构、操作、密封材料、氩封方式并控制合理的吹氩量，中间包采用高碱度覆盖剂，确保液面不暴露。 氧含量的控制（1）转炉工序氧含量的控制 冶炼IF钢一般采用顶底复吹转炉，在冶炼后期增大底部惰性气体流量、加强溶池搅拌，以降低转炉冶炼终点钢中氧含量；实现转炉冶炼动态模型控制，将IF钢转炉冶炼终点碳含量由0.02%0.03%提高到0.03%0.04%以提高冶炼终点钢液碳含量和温度的双命中率，减少补吹率；采用挡渣出钢、钢包下渣自动检测技术及钢包渣改质措施以减少钢包渣对钢液的污染。 IF钢转炉冶炼终点炉渣的全铁含量一般为15%25%，通过出钢挡渣技术使钢包内炉渣的厚度控制在50mm以下、防止出钢过程中下渣量过大造成钢液二次氧化严重。出钢后立即向钢包内加入改质剂，炉渣改质剂由CaCO3和金属铝组成，可将渣中的全铁含量降低到4%左右，甚至2%以下。 （2）连铸工序氧含量的控制 在IF钢冶炼的连铸工序，采用大容量连铸中间包并进行钢液流场优化，以促进夹杂物上浮和均匀成分、温度；采用碱性连铸中间包包衬和覆盖剂以减少包衬和覆盖剂对钢液的传氧污染；采用连铸结晶器液面自动控制技术，确保液面波动小于3mm，以减少保护渣卷入钢液。21 IF钢中夹杂物对钢的影响研究发现，钢中的成分和夹杂物对于IF钢的性能影响显著。非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对钢性能的影响也不同，如若生产表面无缺陷的汽车面板（05板），必须严格控制IF钢中夹杂物的数量、类型、形态及其分布状况。因此，针对IF钢存在的表面质量问题，开展IF钢成分及夹杂物的过程控制研究成为当务之急，其研究成果对于我国IF钢生产的进一步发展具有重要的理论价值和现实意义；非金属夹杂物作为独立相存在于钢中,破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能，如非金属夹杂物导致应力集中，引起疲劳断裂，数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性，钢中呈网状存在的硫化物会造成热脆性。因此，夹杂物的数量和分布被认定是评定钢材质量的一个重要指标，并且被列为优质钢和高级优质钢出厂的常规检测项目之一。2223 IF钢中夹杂物种类按来源分类（1）内生夹杂物 钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的夹杂物 。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。24 （2）外来夹杂物 钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。24 按化学成分分类（1）氧化物系夹杂 简单氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO和Cu2O等。在铸钢中，当用硅铁或铝进行脱氧时，SiO2和Al2O3夹杂比较常见。Al2O3 在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布（图4）。 图4： 扫描电镜下的Al2O3夹杂复杂氧化物包括尖晶石类夹杂物和各种钙的铝酸盐等以及钙的铝酸盐。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂，这类夹杂物 有2FeOSiO2 （铁硅酸盐）、2MnOSiO2（锰硅酸盐）和CaOSiO2 （钙硅酸盐）等。这类夹杂物在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快，某些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中。7 （2）硫化物系夹杂 主要是FeS 、MnS和CaS等。由于低熔点的FeS易形成热脆，所以一般均要求钢中要含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS。铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类：形态为球形，这种夹杂物通常出现在用硅